不同角度单裂隙对类岩石加卸载强度影响的试验研究∗

王永岩 王 浩 崔立桩

（青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061）

1 引言

岩石内部通常会存在无规则微裂隙，在外荷载作用下微裂隙不断萌生扩展，岩石损伤不断积聚并最终导致岩体破裂。地下工程中，巷道开挖和爆破施工所产生的应力波会对围岩造成严重的应力扰动，造成围岩应力重分布，导致围岩部分区域应力集中、应力增加，而其他部分区域应力降低，从而围岩就会受到复杂的加、卸载应力作用。因此，研究岩石在加卸载条件下的力学特性具有重要意义。

许多学者在裂隙岩体的加卸载方面进行了研究，刘松［1］以花岗岩为研究对象进行了单轴压缩载荷条件下的循环加卸载试验试验研究，并采用数值模拟软件对岩石单轴和三轴进行了模拟加卸载试验试验，探究了加卸载次数对岩石强度和变形特征的影响。许江等［2］通过对加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究，试验结果证明加卸载试验的峰值强度明显低于其相应荷载条件下的峰值强度。何俊［23］利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验，得出煤样破坏能量释放最大值在峰值应力的85%。王四巍［3］研究了加卸载下塑性混凝土的强度及变形特性，结果表明，经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低，变化幅度均在10%以内；塑性混凝土的卸载曲线总是滞后于加载曲线，加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。周家文［4］等针对脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性进行了研究，对脆性岩石单轴循环加卸载的应力-应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。目前，尽管在循环加卸载方面取得了一些成果，但各学者［5～19］的研究针对单轴加卸载较多，对三轴加卸载试验试验研究方面［20～22］较少，对含裂隙岩石的加卸载试验试验研究更少。本文针对含裂隙类岩石试件进行加卸载试验试验研究，并总结出一些有参考价值的结论。

2 试验概况

2.1 含不同角度单裂隙类岩石试件的制作

以相似三定理为理论基础，本文以水泥、河砂和水（配比2∶1∶0.13）配制的类岩石试件为研究对象，其中相似材料河砂粒径为40目，水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥。采用自制的φ50mm×100mm含裂隙的标准圆柱形试件模具（如图1（a）所示）制备试件，预制贯通闭合裂隙的长度为20mm，厚度为0.8mm。试件脱模后，在通风干燥的室内养护（普通养护非水养护）7天后将试件的上下底端打磨平整，如图1（b）。

图1 试件模具和类岩石试件

2.2 试验设备

所用试验设备为TAW-200电子多功能试验机，如图2。该仪器主-要用于岩石或混泥土的剪切流变试验，具有刚度大、测量精确、控制精度高、稳定性好的优点。

图2 试验仪器

3 试验结果与分析

3.1 裂隙试件的单轴压缩试验

对类岩石试件进行单轴压缩试验，选择载荷加载方式，采取50N/s的加载速率，记录类岩石试件的弹性模量、泊松比、峰值强度等参数。

根据图3、图4可知，单轴抗压强度随角度增加而显著增大，含裂隙试件的最低和最高抗压强度分别约是完整试件的30%和67%，贯通单裂隙对试件强度具有较大影响。虽然弹性模量随角度增加逐渐增加，泊松比随角度的增加反而减小，但其波动范围比较小，故认为含裂隙试件与完整试件的弹性模量和泊松比一致。

图3 不同裂隙倾角弹性模量

图4 不同裂隙倾角泊松比

3.2 裂隙试件的三轴压缩破坏试验研究

对五种不同角度（0°、30°、45°、75°、90°）的裂隙试件及完整试件进行1MPa和3MPa围压作用下的三轴破坏试验，试验机自动记录应力-应变曲线，数据如图5所示。

图5 三轴压缩下裂隙类岩石应力-应变曲线

由图5，由于存在围压，裂隙试件及完整试件的峰值强度明显高于单轴下峰值强度，围压越高，峰值强度越大。1MPa围压下，不同角度的裂隙试件间的峰值强度关系与单轴下峰值强度关系一致；3MPa围压下，45°裂隙试件峰值强度最小。对比不同围压下应力应变曲线，围压较低时，45°裂隙试件的下降幅度最大，而围压较高时，曲线下降幅度明显变小，说明围压对不同倾角裂隙试件的峰值强度影响程度不同，45°裂隙试件受围压影响最大。

3.3 单轴循环加卸载试验

对含裂隙试件分5个等级进行加载，每一级载荷取单轴压缩试件强度的20%；不同裂隙倾角试件和完整试件均取5组，每级卸载值取0，最后对峰值应力求取平均值。

如图6所示，完整试件与含不同角度裂隙试件的加卸载曲线形状为针叶状。随着循环载荷的增加，滞回环的面积逐渐增加，加卸载斜率并不相同，卸载过程斜率较低，因此每一次加载过程弹性模量也要低于卸载过程的弹性模量。

图6 试件加卸载与应变曲线

3.4 三轴循环加卸载试验

通过对裂隙试件进行三轴压缩试验，发现不同裂隙角度试件的三轴峰值强度在围压1MPa时保持与单轴峰值强度相同趋势，所以在1MPa围压下对含裂隙试件分5个等级进行加载，每一级载荷取相应试件强度的20%；不同角度裂隙试件和完整试件都取5组，每级卸载值都为0，根据5组试验结果对峰值应力求取平均值。

三轴加卸载的试验结果与单轴类似，如图7，三轴加卸载试验滞回环为针叶状，随循环载荷增加，滞回环面积逐渐增加，损耗能量增大。卸载过程斜率较低于加载过程，因此每次加载过程弹性模量也要低于卸载过程，三轴的轴向位移变化比单轴的轴向位移明显。

图7 三轴加卸载强度与应变曲线

4 结果与讨论

如图8，单轴压缩的峰值强度比经历五次加卸载的高，单轴加卸载强度、三轴峰值强度、三轴加卸载强度随角度增大而增加。含裂隙试件的强度低于完整试件的强度，说明裂隙倾角对类岩石的单轴、三轴强度的影响有着同样规律。

图8 四种试验的峰值强度对比

从图9可以看出三轴加卸载强度与三轴强度的比曲线低于单轴加卸载强度与单轴强度的比曲线，说明围压对含裂隙试件强度造成一定的影响，单轴加卸载强度与单轴强度之比大于三轴加卸载强度与三轴强度之比；而完整试件的三轴加卸载强度与三轴强度之比大于单轴加卸载强度与单轴强度之比。含裂隙试件的单轴强度与三轴强度比随裂隙角度增加而减小，角度为0°时，强度比为0.74，当角度增加到90°，强度比为0.568，而完整试件的强度比为0.561。

图9 单轴、三轴循环加卸载强度比

5 结语

本文对预置裂隙的类软岩相似材料进行了单轴、三轴条件下的循环加卸载试验和破坏试验，经过对比分析不同裂隙倾角类软岩相似材料的单轴、三轴循环加卸载试验结果得到以下结论。

1）单轴峰值强度随角度（裂隙面与水平方向夹角）的增大显著增加，弹性模量随角度的增大而增加、泊松比随角度增大而降低；

2）不同倾角类岩石循环加卸载强度随裂隙倾角增加而增大；

3）三轴强度随裂隙倾角增加而增大，围压对裂隙试件强度影响明显；低围压应力应变曲线为脆性跌落，高围压应力应变曲线随围压增高脆性系数降低，但峰前应变反而变小；

4）三轴轴压循环加卸载强度随裂隙倾角增加而明显增大。